Моделирование мембранных белков. Рассмотрим получение модели НР сополимера, имитирующей мембранные белки. В этом случае неполярную прослойку обозначим как Н-звенья, а полярные опушки как Р. На долю Н звеньев приходится 30 , а на долю Р 70 . Введём различные энергетические параметры eРР, eНР, eРР . При этом eНН eРР. При моделировании происходит диффузия Н и Р звеньев.
Поэтому для улучшения структуры процедуру модифицирования производят много раз. 20 Рис. 2.6. Нативная конформация мембранного белковоподобного сополимера слева и конформация, полученная после равновесия в компьютерном моделировании справа N 256. 20 Из рис. 2.6. можно видеть главную особенность таких структур эффект стабильности микросегрегированной структуры.
Таким образом, можно сказать, что подобная модель наследует свойства мембранных мелков. 2.7. Белковоподобные сополимеры. Дизайн, структура, свойства Изучение структур НР сополимеров, состоящих из двух типов звеньев Н и Р, представляет достаточно большую область полимерной физики. Наиболее интенсивно изучаются блок-сополимеры и случайные сополимеры. Иногда исследуют сополимеры с близкодействующими корреляциями вдоль цепи. Такие корреляции всегда появляются после процесса полимеризации, если вероятность присоединения Н или Р звена к растущей цепи зависит от типа звена, которое присоединилось на предыдущем шаге. Тип подобной первичной структуры можно охарактеризовать как случайная с близкодействующими корреляциями. С другой стороны глобулярные белки можно грубо считать как разновидность НР сополимеров.
В самом деле, мономерные звенья этих белков различаются тем, что одни аминокислотные остатки являются гидрофильными или заряженными, в то время как другие гидрофобными.
Мы можем очень грубо приписать первым из них индекс Р, и индекс Н остальным. Если проанализировать первичную структуру белковоподобного сополимера, полученного таким образом, и сравнить с простой первичной структурой описанной выше, то можно сделать вывод, что белковая НР последовательность более информативна и специфична. Обычно считают, что в глобулярных белках гидрофильные Р звенья покрывают поверхность глобулы, делая её устойчивой к межмолекулярной агрегации, а гидрофобные звенья Н в основном формируют ядро глобулы.
Можно считать, что такое требование является достаточно ограничивающим, то есть справедливо только для малой доли всех возможных первичных структур. Следовательно, А В корреляции, определённые в этом случае, зависят от конформации глобулы в целом, и их следует характеризовать как дальнодействующие. Вопрос состоит в том, могут ли быть получены такие первичные структуры НР сополимеров, не имеющих биологическое происхождение.
Это легко сделать при помощи компьютерного моделирования, и гораздо труднее в реальном эксперименте. Однако, в обоих случаях соответствующие процедуры включают следующие шаги Шаг 1. Берётся гомополимерный клубок с взаимодействиями с исключённым объёмом в хорошем растворителе. Шаг 2. За счёт сильных взаимодействий между всеми мономерными звеньями образуется гомополимерная глобула. В реальном эксперименте в этом случае подразумевается скачок температуры, добавление плохого растворителя и т.д. Шаг 3. Этот шаг легче всего реализовать в компьютерном эксперименте.
Следует рассмотреть мгновенное фото и модифицировать поверхность, т.е. приписать индекс Р звеньям, находящимся на поверхности, и индекс Н звеньям, образующим ядро. В реальном эксперименте поверхность модифицируется химическим реагентом, который изменяет её из гидрофобной в гидрофильную. Если количество реагента мало, то модифицируется только поверхность, а ядро остаётся гидрофобным.
Важной особенностью является достаточно быстрая модификация поверхности и достаточно медленная агрегация. Шаг 4. Этот последний шаг необходим в компьютерном эксперименте. Вместо сильных одинаковых взаимодействий между звеньями, следует ввести различные потенциалы взаимодействия для Н и Р звеньев. Рис. 2.7. Основные этапы схемы дизайна белковоподобных сополимеров. а гомополимерная глобула b глобула с модифицированной поверхностью c белковоподобный сополимер в состоянии клубка.
В статье 3 представлены результаты компьютерного моделирования методом Монте Карло перехода клубок-глобула, который происходит при увеличении притяжения между гидрофобными звеньями В. Было показано, что по сравнению со случайными сополимерами с тем же А В составом поведение белковоподобных сополимров значительно отличается. Также анализировались особенности первичной структуры. В эксперименте используется цепь из N звеньев, состоящая из мономеров типа Н и Р N NН NР , которые занимают ячейки в кубической решётке. Молекулы растворителя представлены как вакантные ячейки.
Для моделирования используется стандартная модель с флуктуирующими связями. В этой модели считается, что каждое мономерное звено цепи занимает восемь соседних ячеек кубической решётки и длина связи может флуктуировать от 2 до Ц10. Каждая конфигурация цепи характеризуется определённой энергией короткодействующих взаимодействий U, которые определяются следующим образом.
Во-первых, эффект исключённого объёма заключается в том, что если два мономерных звена занимают одну и ту же ячейку, то потенциальная энергия приравнивается бесконечности. Во-вторых, пусть nab - это общее число контактов между ближайшими соседними звеньями Н и Р или между мономерными звеньями и частицами растворителя S. Таким образом, U еabeabnab, где eab - соответствующий энергетический параметр. Ясно такими параметрами, определяющие глобулярную организацию являются eРР, eНН, eРS, eНS, eНР В этой модели eРР eНР 0, также eРS 0, eНS 0, eНН 0. Параметры eНН и eНS описывают гидрофобные взаимодействия между неполярными звеньями В и частицами полярного растворителя.
Поэтому eBBnBB eBSnBS вклад гидрофобных взаимодействий в общую энергию системы. Таким образом общая энергия системы U eBBnBB eBSnBS eASnAS. Так как физическая природа взаимодействий сходна, то eРS eНS eНН . Однако интенсивность этих взаимодействий различна. Это обусловлено тем, что максимальное число Н-Н контактов между соседними мономерами равно 26, в то время как максимальное число контактов между Н и Р звеньями с вакантными ячейками растворителя S равно 98. Поэтому вводим нормализующий фактор равный 26 98. В конце концов считали, eРS -1, eНS 1, eНН -1 и определяли температуру как главный параметр системы.
Время t выражено в шагах Монте Карло на мономерное звено. Расмотрим следующие три модели цепи сополимера. 1. Соответствующая схема получения белковоподобных сополимеров включает следующие шаги. Берётся полимерный клубок и вводятся сильные взаимодействия между всеми звеньями цепи, в результате чего образуется гомополимерная глобула.
Температура Т 1. NР N 2 звеньям, которые имеют максимальное число контактов с частицами растворителя, приписывается индекс Р гидрофильные. Остальным NН N 2 звеньям, которые формируют ядро, приписывается индекс В гидрофобные. Полученную первичную структуру можно охарактеризовать средними длинами непрерывных гидрофильных и гидрофобных участков LР и LН , а также специфическим распределением Р и Н звеньев вдоль цепи. Для получения гетерополимерной глобулы при данной температуре требуется 2-3 ґ106 шагов Монте Карло, после чего в течении 4ґ106 шагов рассчитываются средние характеристики. Такая схема дизайна многократно повторяется.
В эксперименте главный параметр средняя длина Н блоков L . 2. Цепь со случайным распределением Р и Н звеньев вдоль цепи характеризуется как случайная. В этом случае NР NН и LР LН 2. Начальное конфигурация системы гомополимерная глобула, которая при данной температуре приходит к равновесию после 2-3 ґ106 шагов Монте Карло. 3. Первичная структура случайно блочного сополимера характеризуется Пуасоновским распределением f x e-l x x 0, 1 l 0 , где l L. Также NР NН N 2. Начальное состояние системы гомополимерная глобула.
После наступления равновесия в течении 4ґ106 шагов рассчитывались характеристики системы. Все результаты представлены для достаточно длинной цепи, состоящая из Т 512 звеньев.
Таким образом, для гетерополимера NН NР 256. В приложении 1 представлены типичные распределения Р и Н звеньев вдоль цепи для белковоподобных, случайных и случайноблочных сополимеров. При сравнении первичных структур случайных и белковоподобных сополимеров можно видеть, средняя длина Р и Н блоков у протеиноподобных больше. С другой стороны, случайноблочные соплимеры, имеющие ту же среднюю длину Р и Н блоков как у белковоподобных, имеют другое распределение этих блоков вдоль цепи. Главная особенность белковоподобных сополимеров это наличие в первичной структуре достаточно длинных однородных Р и Н последовательностей.
Таким образом, первичную структуру этих полимеров можно охарактеризовать как Іслучайная с дальнодействующими корреляциями. Сравним особенности перехода клубок-глобула для протеиноподобных сополимеров по сравнению с со случайными, имеющие тот же А В состав. Во время счёта вычислялись средняя удельная энергия U N , а также средний размер агрегата глобулярного ядра m. В приложении 2 представлены зависимости U N и m от температуры для трёх типов сополимеров.
В приложении 3 представлены производные по температуре d U N dT и d m dT , полученные численным дифференцированием соответствующих кривых, представленных в приложении 2. Следует отметить, что производная d U N dT представляет собой удельную теплоту на одно мономерное звено и характеризует флуктуации внутренней энергии U в состоянии равновесия. Во всех случаях можно наблюдать переход из глобулярного состояния в клубок в небольшом температурном интервале, кривая d m dT от Т имеет ярко выраженный пик. Однако можно видеть, что переход клубок-глобула для белковоподобных сополимеров находится при более высокой температуре и более резкий, чем для случайных и случайноблочных сополимеров.
Таким образом можно сделать вывод, что специфическая первичная структура, которую протеиноподобные сополимеры ІнаследуютІ от глобулярных белков, отражается в сдвиге перехода кубок-глобула в сторону больших температур и делает глобулу более стабильной по сравнению с глобулами, образованными случайными сополимерами.
Рассмотрим морфологию гетерополимерных глобул. В приложении 4 представлены типичные мгновенные фотографии глобулярных структур, полученные для трёх типов сополимеров при низкой температуре Т 1.5 при состоянии равновесия. Можно видеть, что глобулы белковоподобных сополимеров имеют специфичную мицеллоподобную структуру, состоящую из плотного ядра из гидрофобных звеньев Н и длинных гидрофильных петель из гидрофильных звеньев Р. С другой стороны глобулы случайных сополимеров имеют большое рыхлое ядро и короткие поверхностные петли.
Также изучалась кинетика перехода клубок-глобула. Было показано, что для белковоподобных сополимеров этот переход происходит быстрее, чем для случайных. 2.8.